熱を電気に変える新素材の世界記録を更新

新しいタイプの材料は、温度差から非常に効率的に電流を生成します。

熱電材料は、熱を電気エネルギーに変換することができます。 これは、いわゆるゼーベック効果によるもので、このような材料の両端に温度差があると、電圧が発生し、電流が流れ始めることができる。 ある温度差でどれだけの電気エネルギーが発生するかは、ZT値という指標で表される。

現在までのところ、最も優れた熱電材料は、ZT値が約2.5～2.8のときに測定されたものです。 TU Wien（ウィーン）の科学者たちは、現在、ZT値が5～6のまったく新しい材料の開発に成功しています。

この新材料は非常に効果的で、センサーや小型コンピューター プロセッサーのエネルギーを供給するために使用することができます。

この新材料は非常に効果的で、センサーや小型コンピュータのプロセッサーのエネルギー源として使用することができます。

電気と温度

「優れた熱電材料は、強いゼーベック効果を示さなければなりませんが、両立が難しい2つの重要な要件を満たさなければなりません」と、ウィーン工科大学の固体物理学研究所のエルンスト・バウアー教授は述べています。 「一方では、電気をできるだけよく通すこと、他方では、熱をできるだけ伝えないことです。

2013年にエルンスト・バウアーがウィーン工科大学に設立したクリスチャン・ドップラー熱電材料研究所では、ここ数年、さまざまな用途の熱電材料が研究されています。

「この材料の原子は通常、いわゆる面心立方格子の中に厳密に規則正しく配列されています」とエルンスト・バウアー氏は言います。 「2つの鉄原子の間の距離は常に同じであり、他の種類の原子についても同じことが言えます。 したがって結晶全体は完全に規則正しい。」

しかし、この材料をシリコンに薄く塗ると、驚くべきことが起こる。 原子は依然として立方体パターンを形成しているが、今度は空間中心構造に配列され、異なる種類の原子の分布は完全にランダムになる。 「2つの鉄原子が隣り合っていても、その隣の場所はバナジウムやアルミニウムで占められているかもしれませんし、結晶内のどこに次の鉄原子があるかを決めるルールはもはやありません」とバウアー氏は説明します。

原子配列の規則性と不規則性の混合は、固体内で電子がどのように動くかを決定する電子構造も変化させます。 電荷は物質中を特殊な方法で移動するため、散乱過程から保護されるのです」。 電荷が物質中を移動する部分は、ヴァイル・フェルミオンと呼ばれます」とエルンスト・バウアーは言う。

一方、高温の場所から低温の場所に熱を運ぶ格子振動は、結晶構造の不規則性によって抑制される。 そのため、熱伝導率が低下する。

Electricity for the Internet of Things

もちろん、このような薄い層では特に大きなエネルギーは発生しませんが、非常にコンパクトで適応性があるという利点があります」とErnst Bauer氏は述べています。 “私たちは、これをセンサーや小型電子機器へのエネルギー供給に利用したいと考えています。” このような小型の発電機の需要は急速に高まっています。 モノのインターネット “では、より多くの機器がオンラインで結ばれ、互いの動作を自動的に調整するようになっている。 これは、1 つの機械が別の機械に動的に反応する必要がある、将来の生産工場にとって特に有望です。

「工場で多数のセンサーが必要な場合、すべてのセンサーを一緒に配線することはできないでしょう。

「工場で多数のセンサーが必要な場合、それらをすべて一緒に配線することはできません。センサーが小さな熱電デバイスを使って自分で発電できる方がずっとスマートです」とバウアーは言います。